綠洲灌區(qū)春小麥光能利用與水分生產(chǎn)效益對秸稈還田方式的響應(yīng)

李 盼 陳桂平 茍志文 殷 文 樊志龍 胡發(fā)龍 范 虹 柴 強

綠洲灌區(qū)春小麥光能利用與水分生產(chǎn)效益對秸稈還田方式的響應(yīng)

李 盼 陳桂平 茍志文 殷 文*樊志龍 胡發(fā)龍 范 虹 柴 強

省部共建干旱生境作物學(xué)國家重點實驗室 / 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 甘肅蘭州 730070

針對干旱灌區(qū)作物生產(chǎn)中光資源浪費和水分生產(chǎn)效益低等問題, 研究不同秸稈還田方式對春小麥光能利用率、灌溉水生產(chǎn)力及經(jīng)濟效益的影響, 以期為該區(qū)篩選適宜春小麥生產(chǎn)的秸稈還田方式提供依據(jù)。2014—2016年, 在甘肅省武威綠洲農(nóng)作基地以春小麥秸稈還田為研究對象, 傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田為對照, 設(shè)4個處理, 包括免耕25～30 cm高茬收割秸稈覆蓋(NTSM)、免耕25～30 cm高茬收割秸稈立茬(NTSS)、傳統(tǒng)翻耕25～30 cm高茬收割秸稈還田(CTS)、傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田(CT, 對照), 以期為該區(qū)篩選適宜春小麥生產(chǎn)的秸稈還田方式提供依據(jù)。結(jié)果表明, 秸稈還田(NTSM、NTSS、CTS)較CT提高平均葉面積指數(shù)(MLAI)達到14.6%～17.2%、10.4～11.9%、7.3%～9.4%, 提高總?cè)~日積(LAI-D)達到14.6%～17.6%、9.2%～12.3%、8.3%～9.8%, NTSM較NTSS提高MLAI與LAI-D分別為6.6%～7.1%和5.9%～7.2%, NTSM處理利于擴大春小麥光合源。NTSM、NTSS較CT降低了春小麥孕穗期之前MLAI與LAI-D分別為6.1%～7.6%、4.6%～9.8%和6.0%––7.6%、8.1%～10.4%; 相反, NTSM、NTSS較CT提高了春小麥孕穗期之后MLAI分別為38.9%～45.1%、30.7%～32.6%, 春小麥灌漿期至成熟期LAI-D分別提高37.0%～47.5%、28.6%～33.9%, 且NTSM較NTSS提高MLAI與LAI-D分別為6.2%～9.4%和6.5%～10.1%, NTSM有效調(diào)節(jié)了春小麥生育期內(nèi)光合源動態(tài)關(guān)系, 利于花后籽粒灌漿。NTSM、NTSS、CTS較CT春小麥分別增產(chǎn)18.6%～27.3%、16.6%～24.9%、10.2%～18.7%, 光能利用率分別提高7.8%～12.2%、6.5%～11.2%、6.2%～8.4%, 單方灌溉水利用效率分別提高18.6%～27.3%、16.6%～24.9%、10.2%～18.7%, 以NTSM增產(chǎn)與提高水熱利用效率幅度較大, 具有高效利用土壤水熱資源的優(yōu)勢。同時, NTSM、NTSS較CT總投入減少6.5%～7.3%, 總產(chǎn)值提高11.4%～19.3%和8.6%～17.2%, 純收益提高32.2%～41.5%和27.8%～37.6%, NTSM因較少的資源投入和較高的經(jīng)濟效益而獲得較高的產(chǎn)投比和單方灌溉水效益, NTSM較CTS與CT產(chǎn)投比提高14.2%～16.9%與19.1%～28.8%, 單方灌溉水效益提高16.5%～23.1%與32.2%～41.5%。因此, 免耕25～30 cm高茬收割秸稈覆蓋是河西綠洲灌區(qū)提高春小麥光能利用和灌溉水生產(chǎn)效益的理想秸稈還田方式。

秸稈還田; 免耕; 光能利用; 經(jīng)濟效益; 灌溉水生產(chǎn)效益

光能利用是進行光合作用的主要動力, 是實現(xiàn)作物增產(chǎn)增效的重要前提[1]; 土壤水分是保障作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的必要條件[2], 但實際生產(chǎn)中作物光能利用率和水分生產(chǎn)效益一般都很低[3]。近年來, 秸稈還田成為作物生產(chǎn)中改善耕地質(zhì)量, 提高作物生產(chǎn)力, 高效利用土壤水熱資源的重要措施[4-5]。因此, 在干旱灌區(qū)通過優(yōu)化秸稈還田方式來提高光能利用和灌溉水利用效率, 對于開展高產(chǎn)高效的作物生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。秸稈富含作物所需的各種營養(yǎng)元素, 且秸稈還田通常被認為能夠提高土壤有機質(zhì), 改善土壤環(huán)境的增產(chǎn)措施[6], 并隨著還田年份的延長而其效應(yīng)明顯增強[7]。已有研究表明, 作物生育前期, 秸稈還田能保持土壤溫度, 促進作物地下部生長, 為作物產(chǎn)量形成奠定了基礎(chǔ)[8]; 而作物生育后期, 秸稈還田又能降低土壤溫度, 延長作物持綠時間, 促進花后產(chǎn)量的形成, 從而提高作物產(chǎn)量和光能利用率[9]。與此同時, 秸稈還田可降低土壤容重, 增加降水入滲, 對農(nóng)田保水控水起到促進作用, 有利于提高土壤含水量和減少田間耗水量[10-11]; 而秸稈還田還能減少土壤無效蒸發(fā)、提高土壤儲水能力[12], 有利于提高作物水分利用效率[13]。然而, 目前我國秸稈利用率不高, 焚燒丟棄現(xiàn)象仍普遍存在, 所配套的農(nóng)藝措施比較單一或不夠完善[11,14]。因此, 優(yōu)化秸稈還田方式對于調(diào)控作物生長發(fā)育動態(tài), 提高作物產(chǎn)量并增加土壤水熱利用效率十分有必要。事實上, 秸稈還田過程往往伴隨著相應(yīng)的耕作措施[15], 尤其少免耕措施應(yīng)用到秸稈還田方式中, 能夠有效改善土壤蓄水供肥能力、促進水分高效利用和減少生產(chǎn)成本, 進而提高作物產(chǎn)量和農(nóng)民收益[16]。因此, 秸稈還田配套適宜的耕作措施如何影響作物生長發(fā)育及產(chǎn)量形成, 進而影響土壤水熱利用效率以及獲得較高的經(jīng)濟效益值得深入研究。在河西綠洲灌區(qū), 人們對作物光能利用和灌溉水利用效率以及經(jīng)濟效益的影響研究主要集中于種植模式、栽培方式等單一的農(nóng)藝措施方面, 而秸稈還田結(jié)合少免耕等保護性耕作對作物光合源變化、產(chǎn)量及土壤水熱利用效率、經(jīng)濟效益的影響研究相對較少。本研究通過田間定位試驗, 以傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田為對照, 重點探究不同秸稈還田方式對春小麥的光能利用率和灌溉水生產(chǎn)力及經(jīng)濟效益的影響, 以期通過優(yōu)化秸稈還田方式為河西綠洲灌區(qū)春小麥高產(chǎn)高效栽培提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究于2014—2016年度在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)武威綠洲農(nóng)業(yè)試驗與教學(xué)基地(37°30′N, 103°5′E)進行田間定位試驗。研究區(qū)隸屬于甘肅河西走廊東端, 年均≥10℃的積溫約2985℃; 日照時數(shù)平均達到2950 h, 年太陽輻射量平均達到6000 MJ m–2, 適宜種植春小麥。研究區(qū)域多年平均降水約160 mm, 潛在蒸發(fā)多于2000 mm。3年試驗?zāi)甓? 春小麥生育期內(nèi)降水達100.9、108.7和106.9 mm。該地區(qū)冬春季節(jié)農(nóng)田裸露休閑, 土壤以傳統(tǒng)翻耕為主, 農(nóng)田生態(tài)問題日益加劇。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計, 4種小麥秸稈處理方式形成4個處理: 免耕25～30 cm高茬收割秸稈覆蓋(NTSM)、免耕25～30 cm高茬收割秸稈立茬(NTSS)、傳統(tǒng)翻耕25～30 cm高茬收割秸稈還田(CTS)、傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田(CT), 3次重復(fù), 12個小區(qū)。

供試春小麥品種為“寧春2號”, 施用肥料為尿素和磷酸二銨。2014—2016年小麥均于3月下旬播種, 于7月下旬收獲, 小麥播種量均為675萬粒hm–2。按照當?shù)氐氖┓柿晳T, 氮肥和磷肥均作基肥, 氮肥施用量為225 kg hm–2, 磷肥施用量為P2O5150 kg hm–2。另外, 采用統(tǒng)一的灌溉水平, 前一年度入冬前冬儲灌120 mm, 春小麥生育期內(nèi), 拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期分別灌水75、90和75 mm。

1.3 測定項目與計算方法

1.3.1 葉面積指數(shù)(LAI) 每隔15 d采用長寬法測定葉面積一次, 計算公式如下:

式中, 0.83為校正系數(shù),為小麥的種植密度,和分別為葉片的長和寬,為采集的葉片數(shù)量。

1.3.2 平均葉面積指數(shù)(MLAI) 根據(jù)張賓等[17]方法運用葉面積指數(shù)和取樣次數(shù)計算平均葉面積指數(shù), 計算公式如下:

式中, LAI為第次取樣時的平均葉面積指數(shù),為總的取樣次數(shù)

1.3.3 葉日積(LAI-D) 運用小麥各生育階段葉面積指數(shù)和持續(xù)天數(shù)計算葉日積, 計算公式如下:

式中, LAI為第個春小麥生育階段的MLAI,D為第個春小麥生育階段經(jīng)歷的天數(shù)。

1.3.4 光能利用率(LUE) 光能利用率反映了作物光能利用程度和產(chǎn)量, 根據(jù)太陽總輻射量計算, 公式如下:

式中, H為作物產(chǎn)出能量, 春小麥籽粒與秸稈分別為16.3×106與14.6×106J kg–1 [16];為春小麥籽粒和秸稈產(chǎn)量(kg hm–2); ∑為小麥生育期的太陽總輻射量(MJ m–2), 由當?shù)貧庀筚Y料查知。

1.3.5 籽粒產(chǎn)量 作物成熟后按小區(qū)分別脫粒并記錄產(chǎn)量。

1.3.6 經(jīng)濟效益 根據(jù)試驗過程中, 不同秸稈還田方式下的勞動力與機械和農(nóng)資投入, 春小麥成熟后測定籽粒與秸稈產(chǎn)量, 計算分析不同秸稈還田方式下的生產(chǎn)投入、產(chǎn)值、純收益和產(chǎn)投比。各項費用、農(nóng)產(chǎn)品價格等都依據(jù)當時市場價格計算。計算公式如下:

純收益=總產(chǎn)值–總投入

產(chǎn)投比=總產(chǎn)值/總投入

單方灌溉水利用效率=籽粒產(chǎn)量/灌溉水量

單方灌溉水效益=純收益/灌溉水量

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019和Origin 2021統(tǒng)計并作圖, 運用SPSS 26.0在0.05水平上進行顯著性檢驗(Duncan’s法)及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田方式下春小麥全生育期葉面積指數(shù)動態(tài)

秸稈還田顯著提高春小麥全生育期平均葉面積指數(shù)(MLAI), NTSM、NTSS、CTS較對照傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田(CT)分別提高14.6%～17.2%、10.4～11.9%、7.3%～9.4%, 免耕秸稈覆蓋(NTSM)較翻耕秸稈還田(CTS)提高6.6%～7.1% (圖1)。春小麥葉面積指數(shù)(LAI)在3個試驗?zāi)甓染尸F(xiàn)先增大后減小的趨勢, 在孕穗期(6月10日) LAI達到峰值。同時, 孕穗期之前, 免耕秸稈還田(NTSM、NTSS)較CT春小麥LAI分別降低6.1%～7.6%、4.6%～9.8%; 孕穗期之后, NTSM、NTSS、CTS較CT春小麥LAI分別提高38.9%～45.1%、30.7%～32.6%、16.4%～17.5%,且NTSM較NTSS和CTS分別提高6.2%～9.4%和19.3%～24.5%。說明免耕秸稈覆蓋能有效地調(diào)控春小麥生育期前后綠色葉面積的動態(tài)變化, 保證生育后期具有較高的葉面積指數(shù), 促進花后籽粒灌漿, 利于春小麥增產(chǎn), 免耕秸稈還田下光能高效利用主原因是花后延長光合時間, 灌漿過程中仍保持較大葉面積指數(shù), 尤其免耕秸稈覆蓋效應(yīng)突出。

圖1 春小麥全生育期平均葉面積指數(shù)及其葉面積指數(shù)動態(tài)對秸稈還田方式的響應(yīng)

NTSM: 免耕25～30 cm高茬收割秸稈覆蓋; NTSS: 免耕25～30 cm高茬收割秸稈立茬; CTS: 傳統(tǒng)翻耕25～30 cm高茬收割秸稈還田; CT: 傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田。相同年份不同小寫字母表示處理間差異在 0.05概率水平差異顯著。

NTSM: no tillage with 25–30 cm long straw mulching; NTSS: no tillage with 25–30 cm high straw standing; CTS: conventional tillage with 25–30 cm long straw incorporation; CT: conventional tillage with no straw retention. Different lowercase letters in the same year mean significant difference at the 0.05 probability level among treatments.

2.2 春小麥葉日積對不同秸稈還田方式的響應(yīng)

分析3個研究年份春小麥各生育階段葉日積(LAI?D)對秸稈還田方式的響應(yīng)發(fā)現(xiàn), 孕穗期(6月10日)之前, NTSM、NTSS處理均小于CT處理, 降低幅度分別達到6.0%～7.6%、8.1%～10.4% (表1)。抽穗～灌漿期(6月10日至6月26日), 春小麥LAI?D達到最大值, NTSM、NTSS、CTS較對照CT分別提高19.2%～21.1%、14.5%～16.1%、9.3%～9.9%。灌漿期(6月26日)之后, NTSM、NTSS、CTS處理春小麥LAI?D均大于CT處理, 提高幅度分別達到37.0%～ 47.5%、28.6%～33.9%、15.5%～17.4%; 且NTSM較NTSS和CTS分別提高6.5%～10.1%和18.6%～25.6%。因此, 免耕秸稈覆蓋能有效地調(diào)控春小麥生育期前后葉日積的動態(tài)變化, 使春小麥保持灌漿后期較大葉日積, 形成了春小麥高產(chǎn)及光能高效利用的基礎(chǔ)。

縱觀春小麥整個生育期總LAI-D發(fā)現(xiàn), 2014— 2016年, NTSM、NTSS、CTS較CT提高總LAI-D分別達到14.6%～17.6%、9.2%～12.3%、8.3%～9.8%, NTSM、NTSS較CTS提高總LAI-D分別達到5.9%～7.2%、0.9%～2.3%, 且NTSM較NTSS總LAI-D提高4.7%～4.9%。說明免耕秸稈覆蓋形成較大的光合源, 利于提高光合特性而促進小麥增產(chǎn)。

表1 不同秸稈還田方式下春小麥各生育階段的葉日積差異

處理同圖1。數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一研究年度不同秸稈還田處理在0.05概率水平差異顯著。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters follow the data represent significant difference among different straw retention treatments in the same research year at the 0.05 probability level.

2.3 不同秸稈還田方式對小麥產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響

2.3.1 產(chǎn)量表現(xiàn) 3個試驗?zāi)甓? 秸稈還田對春小麥均具有顯著的增產(chǎn)效應(yīng)。NTSM、NTSS、CTS較CT籽粒產(chǎn)量分別提高18.6%～27.3%、16.6%～ 24.9%、10.2%～18.7% (表2), 以免耕秸稈還田(NTSM、NTSS)增產(chǎn)幅度大, 籽粒產(chǎn)量分別達到7203～8035 kg hm–2與7079～7886 kg hm–2, 較CTS分別增產(chǎn)7.2%～9.5%、5.3%～5.9%。免耕秸稈還田中, 以NTSM在3個試驗?zāi)攴菥_最高產(chǎn)量, 說明免耕25～30 cm髙茬收割秸稈覆蓋是提高干旱內(nèi)陸綠洲灌區(qū)春小麥籽粒產(chǎn)量的有效措施。

2.3.2 經(jīng)濟效益 2014—2016年, 不同秸稈還田方式下農(nóng)田總投入達到7268～8867元 hm–2, 其中勞動力與機械投入達到2025～3650元 hm–2(表2)。NTSM、NTSS較CT農(nóng)田總投入降低6.5%～7.3%, 且總投入降低主要源于NTSM、NTSS較CT降低勞動力與機械投入達15.8%～22.1%。由此說明, 傳統(tǒng)的鏵式犁深翻耕對農(nóng)田投入需求大及需要較高的勞動力與機械投入, 通過免耕秸稈還田措施可降低農(nóng)田投入。

3個試驗?zāi)甓? 不同秸稈還田方式對于提高春小麥產(chǎn)值和純收益具有顯著的作用。NTSM、NTSS、CTS較CT產(chǎn)值和純收益分別增加11.4%～19.3%、8.6%～17.2%、4.3%～11.7%和32.2%～41.5%、27.8%～37.6%、9.3%～21.4%; NTSM、NTSS較CTS分別增加產(chǎn)值6.8%～8.7%、5.0%～5.1%, 分別增加純收益16.5%～23.1%、13.4%～17.4%, 以NTSM增加比例較大。同樣, NTSM、NTSS、CTS處理的產(chǎn)投比較CT分別提高19.1%～28.8%、17.2%～26.5%、4.3%～11.7%; NTSM、NTSS較CTS分別提高14.2%～16.9%、12.4%～13.3%?？傮w來說, 免耕秸稈還田主要是通過提高總產(chǎn)值和降低勞動力與機械(犁地與整地)投入等來提高純收益, 進而增加作物生產(chǎn)效益, 其中NTSM經(jīng)濟效益最為突出。

2.4 不同秸稈還田方式對春小麥光能利用率的影響

3個試驗?zāi)甓? 秸稈還田處理春小麥光能利用率(LUE)均顯著高于傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田(圖2)。NTSM、NTSS、CTS春小麥LUE較CT分別提高7.8%～12.2%、6.5%～11.2%、6.2%～8.4%。同時, 2016年度春小麥LUE較2014和2015年度提高比例大, 其中NTSM、NTSS、CTS分別提高16.8%～20.5%、19.2%～20.3%、16.6%～18.2%。秸稈還田處理中, 以NTSM處理春小麥LUE均達到最大值, 說明免耕秸稈覆蓋增強了春小麥對光資源的高效利用。

2.5 不同秸稈還田方式下春小麥單位灌水利用效率及單方灌溉水效益差異

2.5.1 單方灌溉水利用效率 秸稈還田具有提高春小麥農(nóng)田灌溉水利用效率的作用, 以免耕結(jié)合25～30 cm髙茬收割秸稈覆蓋效果尤為突出(圖3)。3個試驗?zāi)甓? NTSM、NTSS、CTS較CT春小麥單方灌水利用效率分別提高18.6%～27.3%、16.6%～ 24.9%、10.2%～18.7%, NTSM、NTSS較CTS分別提高7.2%～9.5%、5.3%～5.9%; NTSM與NTSS處理春小麥單方灌水利用效率差異不顯著, 但NTSM在3個試驗?zāi)甓染３肿罡咧怠Ｓ纱苏f明, 免耕秸稈覆蓋通過提高綠洲灌區(qū)春小麥籽粒產(chǎn)量而增強對灌溉水的高效利用。

表2 不同秸稈還田方式下春小麥產(chǎn)量及與經(jīng)濟效益

處理同圖1。數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一研究年度不同秸稈還田處理在0.05概率水平差異顯著。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters after the data represent significant difference among different straw retention treatments in the same research year at the 0.05 probability level.

圖2 不同秸稈還田方式下春小麥的光能利用率

處理同圖1。相同年份不同小寫字母表示處理間差異在0.05概率水平差異顯著。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters in the same year mean significant difference at the 0.05 pro-bability level among treatments.

2.5.2 單方灌溉水效益 秸稈還田均具有提高干旱綠洲灌區(qū)春小麥單方灌溉水效益的作用, 且免耕秸稈覆蓋提高優(yōu)勢較強(圖3)。3個試驗?zāi)甓? NTSM、NTSS、CTS較CT單方灌溉水效益分別提高32.2%～ 41.5%、28.0%～37.6%、9.3%～21.4%, NTSM、NTSS較CTS分別提高16.5%～23.1%、13.4%～16.1%。因此, 25～30cm高茬收割秸稈覆蓋應(yīng)用于免耕農(nóng)田通過增加試區(qū)春小麥純收益而提高單方灌溉水效益。

圖3 不同秸稈還田方式下春小麥的單方灌溉水利用效率和效益

處理同圖1。相同年份不同小寫字母表示處理間差異在0.05概率水平差異顯著。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters in the same year mean significant differentce atthe 0.05 pro-bability level among treatments.

2.6 春小麥總?cè)~日積與籽粒產(chǎn)量及光能利用率的相關(guān)性

分析3個試驗?zāi)甓? 在春小麥整個生育期內(nèi), 群體總?cè)~日積與籽粒產(chǎn)量之間存在顯著的二次相關(guān)關(guān)系 (圖4)。當春小麥總?cè)~日積在0～352、0～315和0～347范圍內(nèi)時隨總?cè)~日積的增大籽粒產(chǎn)量呈持續(xù)增加趨勢, 總?cè)~日積為352、315和347時籽粒產(chǎn)量最大, 超過352、315和347時籽粒產(chǎn)量隨總?cè)~日積的增大反而下降。同時, 春小麥總?cè)~日積與光能利用率之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系, 隨著春小麥光合源不斷擴大光能利用率也逐漸提高。說明適當?shù)卦黾哟盒←湽趯永诠夂献饔玫奶嵘梢跃S持高產(chǎn);而冠層太大, 出現(xiàn)遮陰現(xiàn)象必然會弱化下部葉片光合作用, 從而可能降低春小麥產(chǎn)量。由此證實, 免耕秸稈覆蓋降低孕穗期前葉日積, 保持灌漿期至成熟期較大的葉日積, 適度擴大春小麥光合源, 改善光合性能, 進而提高籽粒產(chǎn)量與光能利用率。

3 討論

3.1 春小麥光合源變化對秸稈還田方式的響應(yīng)

葉片是春小麥光合源的最主要構(gòu)成部分[18], 而增加綠葉面積和延長持綠時間, 對光能的利用、土壤水分和養(yǎng)分的吸收以及產(chǎn)量的形成起著關(guān)鍵作用[19]。葉面積指數(shù)和葉日積反映了作物群體綠葉面積的大小和葉面積持續(xù)時間, 與產(chǎn)量密切相關(guān)[20]。研究發(fā)現(xiàn), 長期的秸稈還田有助于提高作物葉面積指數(shù)和葉日積, 增加生育后期光合面積, 主要原因: 一方面是秸稈還田具有激活土壤酶活性、增加土壤微生物數(shù)量、縮小土壤晝夜溫差, 降低土壤溫度等效應(yīng)[21-22], 能夠改善農(nóng)田土壤環(huán)境和延長作物光合時間; 另一方面秸稈還田明顯促進地下根系生長、延緩葉片衰老, 延長籽粒灌漿期、增加花后光合面積, 進而達到增產(chǎn)[18], 這與本試驗的研究結(jié)果一致。另外, 本研究發(fā)現(xiàn), 免耕秸稈還田降低了孕穗期(6月10日)之前葉面積指數(shù)和葉日積; 而維持了孕穗期之后較大葉面積指數(shù)與灌漿期(6月26日)之后較大葉日積, 其中免耕秸稈覆蓋(NTSM)調(diào)節(jié)作用尤為突出。這一結(jié)果的可能原因是秸稈覆蓋配套免耕措施降低了生育前期土壤溫度[23], 推遲了春小麥的出苗日期[20], 造成較低的光合面積, 從而減小了孕穗期之前葉面積指數(shù)和葉日積; 隨著土壤耕層溫度不斷上升, 春小麥生長發(fā)育加快, 以及生育前期土壤養(yǎng)分和水分消耗較少[2], 滿足了春小麥生育后期的生長發(fā)育需求, 延緩了根系和葉片衰老[24], 保持了較大的綠色葉面積[22], 延長了綠葉持續(xù)時間, 進而保持生育后期較大的葉面積指數(shù)和葉日積。說明免耕秸稈覆蓋有助于調(diào)節(jié)春小麥生育期內(nèi)光合源變化, 維持生育后期較大光合面積, 延長持綠時間, 進而增加干物質(zhì)生產(chǎn)和積累。

圖4 春小麥葉日積與其籽粒產(chǎn)量、光能利用率的關(guān)系

3.2 秸稈還田方式對春小麥產(chǎn)量及水熱利用效率的影響

近年來, 隨著秸稈還田技術(shù)不斷地推廣應(yīng)用, 秸稈還田對作物產(chǎn)量及產(chǎn)量形成的研究越來越受到重視[16-25]。合理的耕層結(jié)構(gòu)對作物生長發(fā)育有利, 而秸稈還田結(jié)合適宜的耕作措施可以保障作物獲得高產(chǎn)高效[26]。研究發(fā)現(xiàn), 秸稈覆蓋條件下, 少免耕等保護性耕作能改善土壤生態(tài)環(huán)境, 提高作物水分利用, 促進干物質(zhì)積累而呈現(xiàn)增產(chǎn)的潛勢[26-27]。另外, 稻秸還田能使小麥出苗率下降, 抑制分蘗的發(fā)生, 造成出苗質(zhì)量不高, 進而影響產(chǎn)量及其形成[28]。說明秸稈還田對作物產(chǎn)量及其形成會受到秸稈還田方式和環(huán)境等因素的影響。本研究表明, NTSM較翻耕秸稈還田(CTS)和傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田(CT)具有明顯的增產(chǎn)優(yōu)勢, 這可能由于NTSM更有利于提高土壤肥力, 促進春小麥水分和養(yǎng)分的吸收, 最終集約水熱資源實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[29]。此外, 秸稈還田條件下, 2016年春小麥平均籽粒產(chǎn)量較2014年和2015年分別高6.7%～11.6%。說明免耕、秸稈還田等保護性耕作技術(shù)而言, 在作物生產(chǎn)中應(yīng)用的時間越長可能發(fā)揮的效應(yīng)越大, 因此, 隨著秸稈還田時間的延長, 效應(yīng)更為明顯。

前人研究表明, 在翻耕、旋耕以及免耕等條件下秸稈還田小麥能高效利用水熱資源[16]。本研究也發(fā)現(xiàn), 秸稈還田處理的光能利用率和單方灌溉水利用效率顯著高于無秸稈還田處理, 其中NTSM效果尤為突出。這可能是由于秸稈還田有助于擴大作物的光合源[18], 延長作物光合時間, 促進作物光合速率和光合關(guān)鍵酶的活性[18-20], 進而作物提高光能利用率; 同樣, 秸稈還田還可以增強土壤保水能力, 降低土壤水分蒸發(fā), 以滿足作物水分需求, 而提高籽粒產(chǎn)量, 進而提高單方灌溉水利用效率[16]。另有研究表明, 不同生育時期, 小麥葉面積指數(shù)、葉日積與產(chǎn)量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系, 且這種相關(guān)關(guān)系隨生育進程的推進而愈加密切[30]。本試驗研究發(fā)現(xiàn), 2014—2016年度, 春小麥全生育期總?cè)~日積與籽粒產(chǎn)量之間存在顯著的二次相關(guān)關(guān)系, 春小麥總?cè)~日積與光能利用率之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。說明通過優(yōu)化秸稈還田方式, 如秸稈覆蓋配套少免耕措施可增大作物光合源, 延長有效光合時間, 提高作物產(chǎn)量, 進而促進光能高效利用。然而, 并非冠層越大越有利于作物生產(chǎn), 冠層太大往往會減弱下部葉片光合生產(chǎn), 減少干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)移, 致使作物產(chǎn)量降低[5,19]。因此, 秸稈還田配套適宜的耕作措施, 如免耕秸稈覆蓋等有利于保持適宜的冠層結(jié)構(gòu), 從而增強春小麥光合能力, 提高籽粒產(chǎn)量, 最終實現(xiàn)水熱資源高效利用。

3.3 秸稈還田方式下生產(chǎn)春小麥的經(jīng)濟效益分析

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中, 作物產(chǎn)量和市場價格是決定農(nóng)戶純收益的關(guān)鍵因素[31], 同時, 農(nóng)戶純收益極大的受到了生產(chǎn)投入的影響, 而生產(chǎn)投入的多少主要取決于機械與勞動力和生產(chǎn)資料[3]。本研究發(fā)現(xiàn), 免耕在春小麥生產(chǎn)實踐中可降低一定的生產(chǎn)成本, 實現(xiàn)節(jié)本增效, 從而增加農(nóng)民的純收益。與CTS相比, 免耕秸稈還田(NTSM、NTSS)降低生產(chǎn)成本6.5%～7.3%,提高產(chǎn)值5.0%～8.7% (高956～1562 元 hm–2), 增加純收益13.4%～23.1% (增加1531～2162 元 hm–2), 從而使得產(chǎn)投比提高12.4%～16.9%。說明農(nóng)田免耕措施能夠降低減少機械工作量和人工勞動投入而節(jié)約生產(chǎn)成本。同時, 免耕措施又可改善土壤性狀, 減輕風蝕水蝕[32]、促進作物生長發(fā)育, 提高作物產(chǎn)量, 進而增加純收益, 對可持續(xù)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大。另外, 在本研究中, 免耕秸稈覆蓋(NTSM)較免耕秸稈立茬(NTSS)產(chǎn)值提高了297～654 元 hm–2, 純收益增加了360～654 元 hm–2, 從而獲得較高的產(chǎn)投比和單方灌溉水效益。說明免耕秸稈覆蓋通過減少勞動力與機械投入, 通過增加作物產(chǎn)量和經(jīng)濟效益而提高產(chǎn)投比和單方灌溉水效益, 免耕秸稈覆蓋是綠洲灌區(qū)春小麥可持續(xù)生產(chǎn)的重要耕作與秸稈還田措施, 是區(qū)域農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的可攻方向之一。

4 結(jié)論

免耕秸稈覆蓋有效地調(diào)控了春小麥全生育期內(nèi)光合源動態(tài), 降低了孕穗期前的葉面積指數(shù)與葉日積, 保持孕穗期后較大葉面積指數(shù)與灌漿期至成熟期較大葉日積, 有效延長綠葉功能期, 為春小麥干物質(zhì)積累和籽粒形成提供更多能量而獲得較高籽粒產(chǎn)量, 從而提高光能利用率和單方灌溉水利用效率。免耕秸稈覆蓋能夠降低生產(chǎn)投入, 獲得較高的產(chǎn)值和純收益, 進而提高產(chǎn)投比和單方灌溉水效益, 利于農(nóng)戶增收。因此, 免耕25～30 cm高茬收割秸稈覆蓋可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鏵犁式翻耕和裸露休閑, 是實現(xiàn)河西綠洲灌區(qū)資源減投、高產(chǎn)高效的春小麥生產(chǎn)適宜秸稈還田方式。

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Response on light energy utilization and water production benefit of spring wheat to straw retention in an oasis irrigated area

LI Pan, CHEN Gui-Ping, GOU Zhi-Wen, YIN Wen*, FAN Zhi-Long, HU Fa-Long, FAN Hong, and CHAI Qiang

State Key Laboratory of Arid Land Crop Science / College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China

Traditional tillage crop production pattern often leads to the waste of light resources and low benefit of water production. The response of light use efficiency, irrigation water productivity, and economic benefits of spring wheat to different straw retention patterns, which providing the theoretical and practical basis for production technologies for farmland resources use efficiency. A field experiment was conducted with various straw retention operations in Wuwei Oasis agricultural base of a typical oasis irrigation region in Gansu province during 2014–2016. Wheat straw retention operations included four treatments [no tillage with 25–30 cm long straw mulching (NTSM), no tillage with 25–30 cm high straw standing (NTSS), conventional tillage with 25–30 cm long straw incorporation (CTS), and conventional tillage with no straw retention (CT, the control)]. The objective of this study is to provide the basis for screening the suitable straw returning method for spring wheat production in this region. The results indicated that, compared with CT, straw retention (NTSM, NTSS, and CTS) improved the mean leaf area index (MLAI) by 14.6%–17.2%, 10.4–11.9%, 7.3%–9.4%, and improved total leaf area duration (LAI-D) by 14.6%–17.6%, 9.2%–12.3%, 8.3%–9.8%, respectively. Compared with NTSS, NTSM improved MLAI and LAI-D by 6.6%–7.1% and 5.9%–7.2%, respectively, which facilitating the expansion of photosynthetic sources in spring wheat. Compared with CT, NTSM and NTSS reduced MLAI and LAI-D by 6.1%–7.6%, 4.6%–9.8%, 6.0%–7.6%, and 8.1%–10.4% before booting stage of spring wheat, respectively. On the contrary, NTSM and NTSS improved MLAI after booting stage of spring wheat by 38.9%–45.1% and 30.7%–32.6%, respectively, and LAI-D from filling stage to full-riping stage of spring wheat was improved by 37.0%–47.5% and 28.6%–33.9%, respectively, compared with CT. NTSM effectively regulated the photosynthetic source dynamics during the growth period of spring wheat and facilitated post-flowering grain filling. Compared with CT, NTSM, NTSS, and CTS increased grain yield of spring wheat by 18.6%–27.3%, 16.6%–24.9%, and 10.2%–18.7%, respectively, increased light use efficiency by 7.8%–12.2%, 6.5%–11.2%, and 6.2%–8.4%, respectively, increased water use efficiency per cubic meter irrigation water by 18.6%–27.3%, 16.6%–24.9%, and 10.2%–18.7%, respectively. NTSM had the advantage of efficient utilization of soil water and heat resources by increasing grain yield and improving water and heat use efficiency to a greater extent. Meanwhile, NTSM and NTSS reduced the total inputs by 6.5%–7.3%, increased total output by 11.4%–19.3% and 8.6%–17.2%, and increased net income by 32.2%– 41.5% and 27.8%–37.6%, compared with CT, respectively. SM had a higher input-output ratio and benefit per cubic meter irrigation water due to less resource input and higher economic benefits. Compared with CTS and CTNT, NTSM increased input-output ratio by 14.2%–16.9% and 19.1%–28.8%, and increased benefit per cubic meter irrigation water by 16.5%–23.1% and 32.2%–41.5%, respectively. Therefore, no tillage with 25–30 cm long straw mulching was the ideal way of straw retention to improve light energy utilization and water production benefit of spring wheat in Hexi oasis irrigated region.

straw retention; no tillage; light energy utilization; economic benefits; irrigation water production efficiency

10.3724/SP.J.1006.2023.21037

本研究由國家自然科學(xué)基金項目(32101857, U21A20218), 甘肅省高等學(xué)校科研項目(2021B-134), 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)伏羲青年人才項目(Gaufx-03Y10)和甘肅省重點人才項目(204197083016)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (32101857, U21A20218), the Gansu Provincial Scientific Project of Colleges and Universities (2021B-134), the Young Science and Technology Talents Supporting Project of Gansu Science and Technology Association (2020-12), the Fuxi Young Talents Fund of Gansu Agricultural University (Gaufx-03Y10), and the Important talent of Gansu province (204197083016).

殷文, E-mail:yinwen@gsau.edu.cn

E-mail: lipan0404@126.com

2022-05-22;

2022-09-05;

2022-09-19.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220917.1701.002.html

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